Świecące bakterie zrewolucjonizują monitoring gleby - MIT opracował biosensory widoczne z daleka

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie biomonitoringu środowiska. Pod kierownictwem profesora Christophera Voigta opracowali innowacyjną technologię wykorzystującą zmodyfikowane genetycznie bakterie, które potrafią emitować sygnały świetlne wykrywalne z odległości nawet 90 metrów. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Biotechnology w kwietniu 2025 roku.

Dotychczas bakterii używane do wykrywania zanieczyszczeń lub składników odżywczych w glebie mogły być obserwowane jedynie pod mikroskopem, co ograniczało ich praktyczne zastosowanie na większą skalę. Nowa metoda MIT pozwala na zdalne monitorowanie tych mikroorganizmów za pomocą kamer hiperspektralnych zamontowanych na dronach lub satelitach.

To nowy sposób pozyskiwania informacji z komórki. Stojąc obok niej, nie zobaczysz niczego gołym okiem, ale z odległości setek metrów, używając specjalnych kamer, możesz otrzymać informację o jej aktywacji.

Zespół naukowców opracował metodę, która skłania bakterie do produkcji cząsteczek generujących unikalne kombinacje kolorów. Aby wybrać najskuteczniejsze cząsteczki do sygnalizacji świetlnej, badacze przeprowadzili symulacje mechaniki kwantowej dla około 20 000 naturalnie występujących metabolitów komórkowych, co pozwoliło im zidentyfikować te o najbardziej wyjątkowych wzorcach emisji światła.

Idealny reporter hiperspektralny powinien mieć sygnaturę spektralną z pikami w wielu długościach fal świetlnych, co ułatwia jego wykrycie. Równie ważnym czynnikiem jest liczba enzymów, które musiałyby zostać wprowadzone do komórki, aby produkowała dany reporter - ta cecha będzie różna dla różnych typów komórek.

"Idealna cząsteczka to taka, która naprawdę różni się od wszystkich innych, co czyni ją wykrywalną, i wymaga najmniejszej liczby enzymów do wyprodukowania jej w komórce" - mówi Voigt.

W badaniu naukowcy zidentyfikowali dwie różne cząsteczki najlepiej dopasowane do dwóch typów bakterii. Dla bakterii glebowej Pseudomonas putida wykorzystali reporter zwany biliwerdyną - pigment powstający w wyniku rozpadu hemu, który nadaje siniakom charakterystyczny zielonkawy odcień. Dla bakterii wodnej Rubrivivax gelatinosus użyli bakteriochlorofilu, który bierze udział w fotosyntezie.

Dla każdej bakterii naukowcy wprowadzili do komórki gospodarza enzymy niezbędne do produkcji reportera, a następnie połączyli je z genetycznie zmodyfikowanymi obwodami sensorycznymi. System można dostosować do wykrywania różnych substancji.

Można dodać jeden z tych reporterów do bakterii lub dowolnej komórki, która ma genetycznie zakodowany sensor w swoim genomie. Dzięki temu może ona reagować na metale, promieniowanie, toksyny lub składniki odżywcze w glebie - na wszystko, co chcemy, aby wykrywała.

Podczas testów sensory bakteryjne umieszczano w pudełkach, aby pozostały w zamkniętym środowisku. Pudełka te rozmieszczano na polach, pustyniach lub dachach budynków, a emitowane przez bakterie sygnały były wykrywane przy użyciu kamer hiperspektralnych zamontowanych na dronach. Kamery te potrzebują około 20-30 sekund na przeskanowanie pola widzenia, a algorytmy komputerowe następnie analizują sygnały, aby ujawnić, czy reportery hiperspektralne są obecne.

W opublikowanym badaniu naukowcy zgłosili obrazowanie z maksymalnej odległości 90 metrów, ale pracują nad zwiększeniem tego zasięgu. Przewidują, że te sensory mogłyby zostać wykorzystane do celów rolniczych, takich jak wykrywanie poziomów azotu lub innych składników odżywczych w glebie. W tych zastosowaniach sensory mogłyby również zostać zaprojektowane do działania w komórkach roślinnych.

Wykrywanie min lądowych jest innym potencjalnym zastosowaniem tego typu sensorów. Jednak przed wdrożeniem, sensory te będą musiały przejść proces zatwierdzenia przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA), a także przez Departament Rolnictwa USA (USDA), jeśli miałyby być stosowane w rolnictwie.

Technologia ta otwiera nowe możliwości monitorowania środowiska na dużą skalę, upraszczając proces kontroli stanu gleby i potencjalnie zmieniając sposób, w jaki rolnicy zarządzają swoimi uprawami, ekolodzy monitorują zanieczyszczenia, a organizacje zajmujące się rozminowywaniem wykrywają niebezpieczne materiały wybuchowe.